磨削

• Merchat在1945年推导出经典的成屑理论 Merchat在1945年推导出经典的成屑理论 模型， 模型，并开始推广应用于各种金属材料 的切削过程。由Merchat的理论，当切屑 的切削过程。 Merchat的理论， 的理论 沿前刀面滑动时会产生极薄的剪切区， 沿前刀面滑动时会产生极薄的剪切区， 一般切削条件下剪切消耗成屑能的75 75％ 一般切削条件下剪切消耗成屑能的75％ 左右，而刀具与切屑的摩擦耗去了25 25％。 左右，而刀具与切屑的摩擦耗去了25％。 尽管人们也观察到了其它的一些效应， 尽管人们也观察到了其它的一些效应， 但这个模型始终可给出成屑的准确描述。 但这个模型始终可给出成屑的准确描述。
• • •
平面切入磨削中砂轮的法向力和切向力 金属材料 非金属材料
• 在上图及其它类似发现的基础上，可以将磨削 在上图及其它类似发现的基础上， 力和比磨削能认为是由切削和滑擦两个部分引 起的。图中磨削力和纵轴A 起的。图中磨削力和纵轴A＝0处的交点与切削 部分有关，而超出这个截距的磨削力值则与滑 部分有关， 擦有关。因此有： 擦有关。因此有：
P u= Qw
• 上式中分子是磨削功率；分母是去除的工件材 上式中分子是磨削功率； 料体积，与磨削参数有关。 料体积，与磨削参数有关。由于
Qw = v w ab = πd w v f b Ft vs Ft vs u= 或u = vw ab πd w v f b
• 此处b指磨削宽度。比磨削能的重要意义在于 此处b指磨削宽度。 它可反映磨粒与工件的干涉机理和干涉程度， 它可反映磨粒与工件的干涉机理和干涉程度， 另外还可反映出加工过程参数， 另外还可反映出加工过程参数，而且对机床功 率需求估计也有重要作用。采用国际单位， 率需求估计也有重要作用。采用国际单位，比 磨削能可表示为“ 磨削能可表示为“Joul/mm3”(J/ mm3)，此时去 (J/ 除率单位为“ /s”，功率为“瓦特” 除率单位为“mm3/s ，功率为“瓦特”；
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磨削机理
• 5.1 引言 • 磨削中工件材料的去除是磨粒和工件材 料干涉的结果。 料干涉的结果。磨粒切刃与工件的干涉 与砂轮地貌、 与砂轮地貌、砂轮与工件的几何以及运 动关系有关。 动关系有关。本章将讨论磨粒与工件的 干涉机理。 干涉机理。
• 已有很多不同的方法来收集证据研究磨粒与工 件的干涉。 件的干涉。一种方法是研究磨屑以获得其产生 的理由，因此扫描电镜是一个非常重要的工具。 的理由，因此扫描电镜是一个非常重要的工具。 另一个方法是测量不同条件下的磨削力和磨削 功率，这里一个重要的参数就是比磨削能， 功率，这里一个重要的参数就是比磨削能，它 是指去除单位体积工件材料所消耗的能量。 是指去除单位体积工件材料所消耗的能量。这 个参数的重要性在于各种磨粒－ 个参数的重要性在于各种磨粒－工件的干涉机 理必须满足能量守恒定理， 理必须满足能量守恒定理，比磨削能取决于不 同的磨削条件。 同的磨削条件。更直接地观察二者的干涉是用 单颗磨粒或类似磨粒的刀具作切削试验。当然 单颗磨粒或类似磨粒的刀具作切削试验。 这些结果只有在试验条件能准确地模拟砂轮磨 粒状况下才是有效的。 粒状况下才是有效的。
• 5.4
普通磨粒砂轮磨削机理
• 5.4.1 尺寸效应及其能量 • 系统地测量磨削力和比磨削能始于20世纪50年 20世纪50年 系统地测量磨削力和比磨削能始于20世纪50 代初， 代初，当时发现比磨削能比其它切削方式要大 得多， 得多，而且降低 vw 和 a 以减小未变形切屑厚 度时比磨削能更大。 度时比磨削能更大。 • 所谓比磨削能是指磨除单位体积工件材料所需 要的能量。 要的能量。
• 另一个限制传统成屑理论应用于磨削过程的原 因是其比磨削能太大。 因是其比磨削能太大。几乎所有的能量均转化 为热，由于高切速和大应变，磨削成屑很快， 为热，由于高切速和大应变，磨削成屑很快， 整个过程金属是绝热的，这意味着没有足够的 整个过程金属是绝热的， 时间把塑性流动产生的大量热在变形过程中传 导出去。 导出去。在绝热条件下单位体积的塑性变形能 应限制在可将其从一般条件下转化为熔融态的 情况之内。 情况之内。单位体积熔融能可从手册液态熔点 到室温的焓查出。 到室温的焓查出。
• 从显微镜下可以看出磨屑与切屑非常近似。第 从显微镜下可以看出磨屑与切屑非常近似。 一张图片是普碳钢磨屑的SEM照片， SEM照片 一张图片是普碳钢磨屑的SEM照片，卷曲的磨 屑与车削和铣削的切屑非常相似， 屑与车削和铣削的切屑非常相似，只是由于切 刃形状和干涉深度差异造成磨屑的尺寸和形状 不很规则。 不很规则。磨屑有与其它加工方式相同的很细 的节状结构。 的节状结构。节状切屑是因局部热塑性变形引 起材料剪切抗力减小形成的。 起材料剪切抗力减小形成的。第二张图片是其 放大图，节间距约为0.5μm 0.5μm， 放大图，节间距约为0.5μm，比车削切屑稍细 一些，这是因为磨削是典型的负前角加工，另 一些，这是因为磨削是典型的负前角加工， 外由于磨削速度很快， 外由于磨削速度很快，造成磨削的成屑变形更 接近于绝热剪切。 接近于绝热剪切。
Ft = Ft ,c + Ft , sl
Fn = Fn ,c + Fn , sl
• 这里 Ft ,c 和Fn ,c 是由于切削引起的切向力和法向 力，Ft , sl 和Fn , sl 是由于滑擦引起的切向力和法向 作为一个典型磨粒的情况如下图所示。 力。作为一个典型磨粒的情况如下图所示。
• 对于钢工件而言滑擦力和磨粒磨损面积 成正比关系， 成正比关系，这表明工件与磨粒磨损平 面间平均接触压力和摩擦系数µ的关系： 面间平均接触压力和摩擦系数µ的关系：
• 5.2 磨屑 • 一般认为金属磨削过程类似于车削和铣削，其 一般认为金属磨削过程类似于车削和铣削， 金属材料是通过剪切过程去除的。 金属材料是通过剪切过程去除的。这个提法是 基于70年前人们在显微镜下观察到了类似切屑 基于 年前人们在显微镜下观察到了类似切屑 以下是磨削AISI1065钢的 钢的SEM 的磨削碎片 。以下是磨削 钢的 照片。 照片。
Ft = Ft ,c + µpb(d e a ) A
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Fn = Fn ,c + pb(d e a ) A
12
• 在这个模型框架下可估计表征磨损平面和工件 接触关系的两个特征量µ 接触关系的两个特征量 µ 和 p ， 综合上述公 式可得到： 式可得到：
Ft = Ft ,c + µpAa Fn = Fn ,c + pAa
• 这里 Aa 是工件和磨损平面的实际接触面 可表为磨削区面积（接触弧长× 积，可表为磨削区面积（接触弧长×磨 削宽度b 削宽度b）和砂轮磨损表面积比 A 的乘 积，即
Aa＝b ⋅ lc ⋅ A = bA(ad e )1/ 2
• 由此可得磨削力公式为
• 对于铁，单位体积的熔化能为 10. 10.5 J/mm3 ， 这个数值也适用于 钢 。 磨削钢的比磨削能一般为 20～ 20 ～ 60 J/mm3 。 更高的比磨削能 仅可能在精磨中出现。 仅可能在精磨中出现。在磨削中 如果塑性变形能高于熔化能则难 以令人信服。 以令人信服。
• 5.4.2 滑擦力和滑擦能 • 金属去除是通过成屑实现的，但更多的磨削能 金属去除是通过成屑实现的， 不是通过成屑消耗的。 不是通过成屑消耗的。磨粒磨钝的小平面在工 件表面滑动而不去除工件材料但消耗了能量。 件表面滑动而不去除工件材料但消耗了能量。 每个小平面最初是在磨削前的修整中得到的。 每个小平面最初是在磨削前的修整中得到的。 在磨削中小平面粘结部分金属而逐渐发出光亮 且通过磨耗磨损进一步扩大。 且通过磨耗磨损进一步扩大。下图示出磨钝平 面粘结金属的情况，许多磨粒还带着一些切屑。 面粘结金属的情况，许多磨粒还带着一些切屑。 扩大的砂轮磨损平面在一定程度上通过自锐或 磨粒从结合剂中脱落形成新切刃。 磨粒从结合剂中脱落形成新切刃。
• 5．3 磨削力、磨削功率和比磨削能 磨削力、 砂轮磨削工件就产生了磨削力。 砂轮磨削工件就产生了磨削力 。 对于切入磨削 无论是平面磨削或是外圆磨削） （无论是平面磨削或是外圆磨削），砂轮对工 件的总磨削力可分解为切向力 Ft 和径向力 Fn 两部分。 两部分 。 对于往复磨削还应附加上一个平行于 Fa 砂轮主轴的轴向磨削力分量 。 磨削功率P可表为： 磨削功率P可表为： P = Ft ⋅ (vs ± vw ) • 式中 “ ＋ ” 号表示逆磨 ， “ － ” 号表示 “ 顺 式中“ 号表示逆磨， 号表示“ 磨”。
• 磨削过程中磨损小平面产生的沿磨削方向的细 纹表明磨削能的一部分是由磨粒在工件上的滑 动消耗的， 动消耗的，二者的直接关系可由磨削力与砂轮 磨钝的程度表达出来。对于一定的机床结构， 磨钝的程度表达出来。 对于一定的机床结构， 如下图所示法向力和切向力随磨损面积A 如下图所示法向力和切向力随磨损面积 A 的增 加而增加。对于给定的工件材料， 加而增加。对于给定的工件材料，通过改变砂 轮硬度、修整条件、 轮硬度、修整条件、累积金属去除量来观察磨 削力和磨损平面的关系变化。对于钢工件（ 削力和磨损平面的关系变化。对于钢工件（左 图），磨削力随磨损面积直线上升，当达到某 磨削力随磨损面积直线上升， 一临界点后，直线斜率产生突变， 一临界点后，直线斜率产生突变，工件出现了 烧伤；而对于非金属材料（右图） 烧伤；而对于非金属材料（右图）则未出现中 间直线斜率不一致的情况。 间直线斜率不一致的情况。
• 人们一直试图采用类似于其它的切削过 程模型来解释磨削的有关问题。 程模型来解释磨削的有关问题。对切刃 形状进行一些假设，估计成屑过程中的 形状进行一些假设， 塑性变形剪切应力， 塑性变形剪切应力，磨削流动应力。精磨中未 变形切屑厚度很小， 变形切屑厚度很小，由此计算出的高的 剪切应力意味着高的比磨削能。 剪切应力意味着高的比磨削能。
• 因一般情况下 简化为： 简化为：
vw 比 vs 小得多 ， 所以功率可 小得多，
P = Ft ⋅ vs
• 对于多数磨削情况，上式关系均成立。与纵向 对于多数磨削情况，上式关系均成立。 进给速度和横向进给速度相关的功率部分一般 可不计。 可不计。